NS穿流復(fù)合塔板對于乙二醇再生塔在海上平臺(tái)防晃動(dòng)可行性分析*

王海萍 張燕鵬 劉峰 佘志鴻 葛新燦 喬英云 田原宇

（1.中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院；2.啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司海工和新能源研發(fā)中心；3.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院）

目前工業(yè)上常用的除水合物方法是在開采過程中加入水合物抑制劑，常用的水合物抑制劑主要有乙二醇和甲醇[1]，乙二醇相比甲醇更易于回收且成本低[2]，因此在工業(yè)上被廣泛采用。作為水合物抑制劑使用的乙二醇會(huì)通過精餾再生后循環(huán)使用，因此乙二醇精餾塔是乙二醇脫水再生工藝的核心設(shè)備之一，但由于常規(guī)的再生精餾塔在海上平臺(tái)晃動(dòng)狀況下，極易出現(xiàn)干區(qū)，從而造成氣液接觸不良、效率大幅度下降和操作不穩(wěn)定。近年來有學(xué)者[3-4]對乙二醇再生工藝進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化研究，但是關(guān)于乙二醇再生塔在海上平臺(tái)規(guī)避晃動(dòng)的研究較少。

1 晃動(dòng)對海上浮式裝置的影響

1.1 晃動(dòng)對塔性能的影響

受海上操作平臺(tái)空間的限制，要求使用塔徑較小的塔器設(shè)備，同時(shí)要考慮到設(shè)備有抗風(fēng)浪適應(yīng)能力，結(jié)合實(shí)際操作范圍、壓降、起泡、腐蝕和造價(jià)等綜合因素，因此海上油氣田廣泛采用填料塔而不是板式塔裝置。

傳統(tǒng)塔器設(shè)備對于塔體的垂直度要求非常嚴(yán)格，一般不超過0.3% 。在海上操作平臺(tái)，設(shè)備一直處于晃動(dòng)狀態(tài)，這就導(dǎo)致設(shè)備軸線與重力方向始終不能保持一致。

經(jīng)眾多學(xué)者研究表明，海上晃動(dòng)會(huì)導(dǎo)致塔器內(nèi)氣液分布不均、氣液分離、壓力波動(dòng)以及持液量波動(dòng)等，隨著擺動(dòng)角度的增加，不均勻現(xiàn)象更加嚴(yán)重，當(dāng)擺動(dòng)角度和周期超過一定值后，填料的分散性能顯著下降[5-10]。

1.2 晃動(dòng)對液體分布器及液體再分布器的影響

作為填料塔中非常重要的部件，液體分布器的主要作用是消除填料塔內(nèi)存在的液體不均勻分布現(xiàn)象，減少因?yàn)榉植疾痪鶆驅(qū)е碌膫髻|(zhì)效率下降[11]。一般在填料塔塔頂設(shè)置液體分布器，在填料塔一定高度設(shè)置液體再分布器，下面對常用的排管式液體分布器、槽式液體分布器和槽盤式液體再分布器在海上操作平臺(tái)中的研究進(jìn)行介紹。

排管式液體分布器：在不同的晃動(dòng)形式和晃動(dòng)幅度下，對分布器的孔口流量分布影響較大的為橫搖和縱搖，且隨著晃動(dòng)幅度的增大，分布器的整體分布質(zhì)量明顯下降。針對該種情況，當(dāng)排管式液體分布器的孔口直徑減小時(shí)，分布器的分布均勻性增加，此時(shí)受海上晃蕩的影響液減小，并指出真滴特定的晃動(dòng)角度和噴淋密度下，液體分布較均勻的孔口直徑[12]。

槽式液體分布器：在不同的晃動(dòng)工況下，對一級槽的分配性能影響最大的為縱搖運(yùn)動(dòng)，其次是縱蕩，而橫搖、艏搖、橫蕩和垂蕩幾乎沒有影響；對于二級槽的分配性能影響最大的為橫搖，其次是縱搖，艏搖、橫蕩、縱蕩和垂蕩的影響較小。因此提出提高一級槽和二級槽的槽體高度以滿足防溢出要求，同時(shí)對于二級槽可增加豎直隔板，可起到一定的阻晃效果[13]。

槽盤式分布器：靜止工況下，傳統(tǒng)槽盤式再分布器性能較好。液體偏移工況下，造成的液位高低差異是再分布器再均布效果下降的主要原因，其整體孔口流量受橫搖和縱搖影響較為嚴(yán)重。全區(qū)域均勻進(jìn)液和偏流進(jìn)液情況下，再分布器均布效果均較差，受海上晃動(dòng)工況影響較大。因此，設(shè)計(jì)了新型槽盤式液體再分布器，新型氣液再分布器的底板被合理分割，提高了原有再分布器對區(qū)域偏流和孔口流量差異的矯正效果，從而對于較小晃動(dòng)幅度下再分布器的液體均布性能進(jìn)行了優(yōu)化，研究結(jié)果對于Fluent 模擬重力式再分布器流場分布的準(zhǔn)確性提供了一定程度的驗(yàn)證，為重力式氣液再分布器在海上晃動(dòng)平臺(tái)上的模擬優(yōu)化提供了一定的理論基礎(chǔ)。

在海上晃動(dòng)平臺(tái)中，對于液體分布器和再分布器的主要優(yōu)化目的為盡量避免較大的搖擺度數(shù)加載到分布器上，減少分布器內(nèi)的液體溢出，對于排管式分布器，應(yīng)滿足各孔口加載的液體壓頭足夠克服晃動(dòng)對分布器造成的液體分布不均，孔口直徑需進(jìn)行合理設(shè)計(jì)的情況下受晃動(dòng)的影響更輕，對于槽式和槽盤式則可通過增加分區(qū)的方法實(shí)現(xiàn)，減小每個(gè)分區(qū)內(nèi)的液體波動(dòng)，減少區(qū)域偏流情況。

2 乙二醇再生塔優(yōu)化方案探討

2.1 目前運(yùn)行情況

某海上天然氣開采項(xiàng)目中，采用乙二醇作為天然氣水合物抑制劑，且用量較大，乙二醇再生塔采用填料塔，為保證乙二醇再生后貧液質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需保證再生塔內(nèi)氣液接觸不存在干區(qū)情況，采用的回流比較大，故乙二醇再生過程能耗較高，對乙二醇再生塔在晃動(dòng)工況下的性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)海上操作平臺(tái)的晃動(dòng)角度達(dá)到6°時(shí)，塔底貧液產(chǎn)品中乙二醇濃度的波動(dòng)幅度可達(dá)到2%；當(dāng)海上操作平臺(tái)的晃動(dòng)角度增加至8°時(shí)，塔底貧液產(chǎn)品中乙二醇濃度的波動(dòng)幅度增加至3.1%；當(dāng)海上操作平臺(tái)的晃動(dòng)角度為10°時(shí)，塔底貧液產(chǎn)品中乙二醇濃度的波動(dòng)幅度達(dá)到3.3%；數(shù)據(jù)表明塔底產(chǎn)品中乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著海上操作平臺(tái)晃動(dòng)角度的增大而出現(xiàn)更大幅度的波動(dòng)。而在同一晃動(dòng)角度下，塔底貧液產(chǎn)品中乙二醇濃度隨著晃動(dòng)周期的延長而出現(xiàn)更大幅度的波動(dòng)；另外在相同周期的晃動(dòng)之下，填料塔從高到低液相受到的擾動(dòng)逐漸減弱；在相同角度的晃動(dòng)下，不同高度截面的持液率、吸收液軸向速度和吸收液的徑向速度，在填料塔從高到低的截面處，三個(gè)檢測指標(biāo)受擾動(dòng)幅度都在逐漸減小。

在該海上天然氣開采項(xiàng)目中，操作平臺(tái)一直處于晃動(dòng)狀態(tài)，乙二醇為保證塔內(nèi)不出現(xiàn)干區(qū)情況需增加回流比，從而能耗相應(yīng)增加。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對傳統(tǒng)塔器，可考慮增加塔徑，增加液體再分布器，增加噴淋密度等方式來緩解晃動(dòng)對于再生產(chǎn)品品質(zhì)的影響，但是這些方式均會(huì)帶來投資成本或運(yùn)行成本的增加。該天然氣開采項(xiàng)目中，通過對海上操作平臺(tái)的晃動(dòng)程度對乙二醇再生塔的影響研究分析可知，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，可考慮降低再生塔的塔高，減少晃動(dòng)對于再生塔內(nèi)傳質(zhì)的影響，同時(shí)減少回流比減少再生過程中的能耗。

但對傳統(tǒng)填料塔，減小回流比勢必會(huì)造成塔器在晃動(dòng)角度較大時(shí)塔內(nèi)出現(xiàn)干區(qū)的情況，針對該情況，提出對原有填料塔進(jìn)行優(yōu)化，塔板可采用中國石油大學(xué)（華東）低碳能源化工團(tuán)隊(duì)研制出的NS穿流復(fù)合塔板[14]，NS 穿流復(fù)合塔板俯視圖見圖1。

NS 穿流復(fù)合塔板具有以下特點(diǎn)：①采用穿流復(fù)合塔板上層加隔板的方式，通過合理分區(qū)與設(shè)置隔板高度，可降低晃動(dòng)對版面液體分布不均的影響，提高傳質(zhì)效率；②采用大孔徑穿流塔板雙層固定復(fù)合，孔徑錯(cuò)對并合理設(shè)置雙板間距，強(qiáng)化兩板間的氣液傳質(zhì)，板上形成豐富泡沫層，提高傳質(zhì)效率，同時(shí)高開孔率降低板壓降，提高塔的處理能力；③塔板采用H 型分塊安裝，豎邊作為塔板自身支撐梁，解決塔板安裝與強(qiáng)度難題；④塔板具有氣液自分配作用，省去填料塔的氣液再分配器，簡化塔設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高塔內(nèi)傳質(zhì)空間利用率，降低塔高。上述特點(diǎn)構(gòu)建高開孔率、低壓降高效率穿流符合塔板，在板面形成多個(gè)全混型區(qū)域，大幅度提高塔板效率和處理能力，同時(shí)減小塔高和塔徑，適應(yīng)海上平臺(tái)的需求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，穿流符合塔板的傳質(zhì)效率比普通大孔徑篩板高出20%左右，且在整個(gè)操作范圍內(nèi)效率都在80%以上，較高氣速下接近100%。

2.3 應(yīng)用實(shí)例

2011 年，針對菏澤玉皇化工降低醚后碳四的異丁烯含量和提高裝置處理能力的需求，將原條形浮閥塔板的MTBE 共沸塔的上部改為反應(yīng)段，下部改為NS 穿流立體復(fù)合塔板及其配套液體分布器，改造后在產(chǎn)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提下，回流比可降低至1.8 倍，產(chǎn)量提高了2.5 倍。2014 年，三江化工針對三江化工環(huán)氧乙烷裝置擴(kuò)量后兩套乙二醇減壓分離塔存在的處理能力和分離精度不足問題，在利用原有塔器設(shè)備部件的前提下，將原有填料改為NS穿流復(fù)合塔板，改造后單套減壓裝置產(chǎn)品精度達(dá)到99.95 %；處理能力達(dá)到1.8 t/h，遠(yuǎn)高于原來兩套填料塔的處理能力。NS 穿流復(fù)合塔板改造前后對比情況見表1。

表1 NS 穿流復(fù)合塔板改造前后對比情況Tab.1 Comparative situation of NS through-flow composite tray before and after transformation

從NS 穿流復(fù)合塔板在工業(yè)上的應(yīng)用案例可看出該塔板具有傳質(zhì)效率高等特點(diǎn)，同時(shí)可有效減少塔高、降低回流比，若將該塔板應(yīng)用于海上操作平臺(tái)后，需結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際晃動(dòng)工況，通過優(yōu)化塔板上隔板高度與布置設(shè)計(jì)合理的塔板，減小因晃動(dòng)造成的氣液分布不均的情況，相比傳統(tǒng)填料塔，穿流復(fù)合塔板在相同的塔效率下可減小塔高，從而重心下移，減少晃動(dòng)對塔器造成的影響，又因?yàn)樗迳细舭宓拇嬖诳捎行p小回流比，從而有效減小再生能耗。

3 結(jié)論與展望

1）對于傳統(tǒng)塔器設(shè)備，在海上晃動(dòng)平臺(tái)中，塔內(nèi)的氣液分布和壓力波動(dòng)隨著海平面的晃蕩呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，當(dāng)晃蕩角度和搖擺角度增大時(shí)，塔內(nèi)液體分布的不均勻現(xiàn)象越嚴(yán)重。壓力波動(dòng)變的更加明顯，對于傳統(tǒng)塔器設(shè)備，可通過增加塔徑、減小填料床層的高度、增加填料段的數(shù)量和液體再分配器，增加噴淋密度等措施減小晃動(dòng)對塔器效率造成的影響。但是塔徑、填料段與再分布器的增加勢必增加塔高，從而導(dǎo)致塔器重心升高，受晃動(dòng)的影響更加明顯，同時(shí)此種優(yōu)化方法也容易引起設(shè)備成本以及運(yùn)行成本的增加。

2）對于海上操作平臺(tái)，排管式液體分布器具有抗干擾性強(qiáng)、運(yùn)行相對穩(wěn)定等特點(diǎn)，同時(shí)該類型分布器驅(qū)動(dòng)力為液體壓力，能較好的適應(yīng)海上晃動(dòng)，所以該分布器較適用于海上操作平臺(tái)填料塔對液體進(jìn)行預(yù)分布。對于傳統(tǒng)的槽盤式液體再分布器，可將底板進(jìn)行合理分割，新型氣液再分布器的底板被合理分割，而這些優(yōu)化則需要進(jìn)一步的放大實(shí)驗(yàn)研究。

3）新型乙二醇再生穿流復(fù)合塔板可顯著提高塔傳質(zhì)效率，因?yàn)楦舭宓拇嬖诳捎行p少晃動(dòng)對于塔板上氣液分布不均的影響，進(jìn)而降低塔高，減少設(shè)備成本；同時(shí)由于塔板被分為多個(gè)“全混型”小區(qū)域，在相同的晃動(dòng)角度下，相比傳統(tǒng)填料塔，塔板可減少由于晃蕩引起的“干區(qū)”情況，在適當(dāng)減少回流比的情況下亦不易引起操作不穩(wěn)定，從而大大降低再生能耗，減少運(yùn)行成本。目前該類塔板還未應(yīng)用于海上開采平臺(tái)中，在后續(xù)工作中需進(jìn)行更深入的實(shí)驗(yàn)研究，從宏觀以及微觀尺度對新型塔板進(jìn)行深入研究，得出該類型塔板在海上操作平臺(tái)運(yùn)行特點(diǎn)，通過理論分析得出適用于海上操作平臺(tái)的該類塔器設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從而有效用于海上油氣開采項(xiàng)目中，減少投資成本，降低工藝能耗。